桥梁预应力施工技术及原理

预应力混凝土桥的问世时梁式桥梁的跨度飞速增长。在当前全世界的桥梁中，有70%以上都采用了预应力结构。预应力混凝土技术在桥梁中的地位已经非常的重要。本文就预应力施工工艺作简要说明。

预应力混凝土是一种缓解混凝土先天上对抗拉力不足的方法。这种方法可以用来制作梁、地板以及常规钢筋混凝土难以建造的大垮距的桥梁。预应力混凝土利用钢索（通常是高抗张力钢索或者是杆件）来提供两端的压力去抵抗和抵消由弯距产生在混凝土部份拉力，而传统的钢筋混凝土则是把钢筋直接置入浇筑了的混凝土之中。

预应力混凝土结构的特点：由于采用了高强度钢材和高强度混凝土，预应力混凝土构件具有抗裂能力强、抗渗性能好、刚度大、强度高、抗剪能力和抗疲劳性能好的特点，对节约钢材(可节约钢材40%～50%、混凝土20%～40%)、减小结构截面尺寸、降低结构自重、防止开裂和减少挠度都十分有效，可以使结构设计得更为经济、轻巧与美观。

基本原理

预应力混凝土虽然只有几十年的历史，然而人们对预应力原理的应用却由来已久。也有利于恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力。如中国古代的工匠早就运用预应力的原理来制作木桶。木桶的环向预压应力通过套紧竹箍的方法产生。只要水对桶壁产生的环向拉应力不超过环向预压应力，则桶壁木板之间将始终保持受压的紧密状态，预压应力通过两端锚具传给构件混凝土。木桶就不会开裂和漏水。

混凝土的抗压强度虽高，而抗拉强度却很低，预应力筋可先穿入套管也可以后穿。通过对预期受拉的部位施加预压应力的方法，就能克服混凝土抗拉强度低的弱点，达到利用预压应力建成不开裂的结构。

预应力混凝土简支梁结构的基本原理

(a)预应力作用；(b)使用荷载作用；(c)预应力和荷载共同作用

根据混凝土浇筑和对预加应力材料施加应力的先后次序，将施加预应力方法归结为两种基本情况：在混凝土浇筑前对预加应力材料施加应力的方法，简称为先张（预压或预弯）法；而在混凝土浇筑、养护后对预加应力材料施加应力的方法，则简称为后张（后压）法。

预应力混凝土构件的施工方法：

一、先张法。在混凝土灌筑之前，先将由钢丝钢绞线或钢筋组成的预应力筋张拉到某一规定应力，并用锚具锚于台座两端支墩上,接着安装模板、构造钢筋和零件,然后灌筑混凝土并进行养护。当混凝土达到规定强度后，放松两端支墩的预应力筋，通过粘结力将预应力筋中的张拉力传给混凝土而产生预压应力。先张法以采用长的台座较为有利，最长有用到一百多米的，因此有时也称作长线法。预应力筋的张拉可采用单根张拉或多根同时张拉，当预应力筋数量不多，张拉设备拉力有限时常采用单根张拉。当预应力筋数量较多且密集布筋，另外张拉设备拉力较大时，则可采用多根同时张拉。在确定预应力筋张拉顺序时，应考虑尽可能减少台座的倾覆力矩和偏心力，先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋。此外，在施工中为了提高构件的抗裂性能或为了部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座之间温度因素产生的预应力损失，张拉应力可按设计值提高5％。但预应力筋的最大超张拉值：对于冷拉钢筋不得大于0.95fpyk(fpyk为冷拉钢筋的屈服强度标准值)；碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线不得大于0.80fpyk；热处理钢筋、冷拔低碳钢丝不得大于0.75（fpyk为预应力筋的极限抗拉强度标准值）。

先张法预应力工艺简单、工序少、效率高、质量易保证，且能省去锚固预应力筋所用的永久锚具。但其在工厂化或成批生产时，常采用专门的张拉台座，需要较大的基建投资，还应考虑交通运输条件。预应力一般采用直线或折线布置，适宜于预制于大批生产的中小型构件。

预应力筋的张拉力方法有超张拉法和一次张拉法两种。

超张拉法：0－1.05con持荷2mincon

一次张拉法：0－1.03con

其中con为张拉控制应力，一般由设计而定。采用超张拉工艺的目的是为了减少预应力筋的松弛应力损失。所谓“松弛”即钢材在常温、高应力状态下具有不断产生塑性变形的特性。松弛的数值与张拉控制应力和延续时间有关，控制应力高，松弛也大，所以钢丝、钢绞线的松弛损失比冷拉热轧钢筋大，松弛损失还随着时间的延续而增加，但在第一分钟内可完成损失总值的50％，24h内则可完成80％。所以采用超张拉工艺，先超张拉5％再持荷2min，则可减少50％以上的松弛应力损失。而采用一次张拉锚固工艺，因松弛损失大，故张拉力应比原设计控制应力提高3％。

预应力筋放张过程是预应力的传递过程，是先张法构件能否获得良好质量的一个重要环节，应根据放张要求，确定合宜的放张顺序、放张方法及相应的技术措施。

（1）放张要求放张预应力筋时，混凝土强度必须符合设计要求，当设计无专门要求时，不得低于设计的混凝土强度标准值的75%。放张过早由于混凝土强度不足，会产生较大的混凝土弹性回缩而引起较大的预应力损失或钢丝滑动。放张过程中，应使预应力构件自由压缩，避免过大的冲击与偏心。

（2）放张方法当预应力混凝土构件用钢丝配筋时，若钢丝数量不多，钢丝放张可采用剪切、锯割或氧－乙块焰熔断的方法，并应从靠近生产线中间处剪断，这样比在靠近台座一端处剪断时回弹减小，且有利于脱模。若钢丝数量较多，所有钢丝应同时放张，不允许采用逐根放张的方法，否则，最后的几根钢丝将承受过大的应力而突然断裂，导致构件应力传递长度骤增，或使钩件端部开裂。放张方法可采用放张横梁来实现。横梁可用千斤顶或预先设置在横梁支点处的放张装置（砂箱或楔块等）来放张。

粗钢筋预应力筋应缓慢放张。当钢筋数量较少时，可采用逐根加热熔断或借预先设置在钢筋锚固端的楔块或穿心式砂箱等单根放张。当钢筋数量较多时，所有钢筋应同时放张。

先张法主要工序示意图

先张法的张拉台座设备

二、后张法。指的是先浇筑水泥混凝土，待达到设计强度的75%以上后再张拉预应力钢材以形成预应力混凝土构件的施工。先制作构件,并在构件体内按预应力筋的位置留出相应的孔道,待构件的混凝土强度达到规定的强度(一般不低于设计强度标准值的75%)后,在预留孔道中穿入预应力筋进行张拉,并利用锚具把张拉后的预应力筋锚固在构件的端部,依靠构件端部的锚具将预应力筋的预张拉力传给混凝土,使其产生预压应力;最后在孔道中灌入水泥浆,使预应力筋与混凝土构件形成整体.

工艺流程：检查构件（或块体）→预应力筋制作→穿预应力筋锚具检验→安装锚具及张拉设备→张拉设备预检张拉→孔道灌浆→制作水泥浆试起吊→压水泥浆试块

①有粘结预应力混凝土

先浇混凝土,待混凝土达到设计度75%以上,再张拉钢筋(钢筋束).其主要张拉程序为:埋管制孔→浇混凝土→抽管→养护穿筋张拉→锚固→灌浆(防止钢筋生锈).其传力途径是依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹,使截面混凝土获得预压应力,这种做法使钢筋与混凝土结为整体,称为有粘结预应力混凝土.

有粘结预应力混凝土由于粘结力(阻力)的作用使得预应力钢筋拉应力降低,导致混凝土压应力降低,所以应设法减少这种粘结.这种方法设备简单,不需要张拉台座,生产灵活,适用于大型构件的现场施工.

②无粘结预应力混凝土

其主要张拉程序为预应力钢筋沿全长外表涂刷沥青等润滑防腐材料→包上塑料纸或套管(预应力钢筋与混凝土不建立粘结力)→浇混凝土养护→张拉钢筋→锚固.

施工时跟普通混凝土一样,将钢筋放入设计位置可以直接浇混凝土,不必预留孔洞,穿筋,灌浆,简化施工程序,由于无粘结预应力混凝土有效预压应力增大,降低造价,适用于跨度大的曲线配筋的梁体.

预应力张拉应按预张拉、初张拉和终张拉三个阶段进行。预制梁张拉时，内模应松开，不应对梁体压缩造成阻碍。终张拉应在梁体混凝土强度及弹模达到设计值后、龄期不少于10天时进行。

预应力张拉条件为：

预张拉：为防止梁体混凝土开裂，当梁体混凝土强度达到设计强度等级标准值的60％时，松开内模，对梁体进行预张拉。张拉数量、位置及张拉值符合设计要求。

初张拉：当梁体混凝土强度达到设计强度等级标准值的80％并拆除模板后，方可进行初张拉。初张拉后梁体方可吊离台座。张拉数量、位置及张拉值符合设计要求。

终张拉：张拉前实施混凝土强度、弹性模量、混凝土龄期“三控”：即张拉前梁体混凝土强度及弹性模量均达到设计要求,且龄期不少于10d。箱梁终张拉的混凝土强度达到设计强度的100%后方可进行。张拉中实施张拉应力、应变、时间“三控”：即张拉时以油压表读数为主、以钢绞线的伸长值作校核，在σK作用下持荷5min。